一种考虑瞬态效应的散热结构导热路径设计的拓扑优化模型

实际工程中,热载荷多数具有短时和周期性特点,瞬态效应显著。目前的散热结构导热路径设计多基于稳态热传导模型,未考虑瞬态效应。本文提出了一种以区域温度控制函数作为设计目标的瞬态热传导问题的拓扑优化模型,能够实现在整个时间历程上特定区域内最高温度最小。使用伴随变量法,推导了目标函数关于设计变量的敏度计算格式。算例表明,基于本文优化模型获得的散热路径设计与基于稳态热传导模型的结果有明显差别,具有更优的散热性能。因此,时变热荷载下的散热结构构型设计需要考虑瞬态响应的影响。     

多相材料传热微结构的多目标优化设计

提出基于散热弱度的材料微结构热传导性能的预测方法,分别从理论和数值上验证该方法与均匀化方法的等效性;推导出微结构等效热传导系数的灵敏度计算格式,建立传热微结构拓扑优化的数学模型.以二维、三维多相材料等效热传导系数的加权组合为目标,采用凸规划对偶优化算法和二次型周长约束进行材料微结构的设计和材料分布的棋盘格控制.数值算例表明基于散热弱度的传热材料微结构设计是可行、有效的,可以为实际的材料设计提供依据.     

基于数据驱动模型求解热传导反问题

热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值.本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题.在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系数转化的思想,建立机器学习模型,求解了测点温度与有效导热系数之间的抽象映射关系,进而实现管道内壁几何形状的识别.然后,应用数据驱动模型识别了皮肤肿瘤的生长参数,分别讨论了不同测量误差对计算结果的影响.数值算例表明,本文提出的数据驱动模型能够准确估算肿瘤的生热率和血液灌注率.这些工作显示了数据驱动模型在求解热传导反问题方面具有广阔的应用前景.     

考虑微结构连接性的双尺度结构自然频率拓扑优化

多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP (Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。     

基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计

在多相材料的结构拓扑优化问题中,通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下,以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题,提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式,采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度,基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程,实现了约束函数一次项过滤,消除了棋盘格现象和网格依赖性问题,并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明,本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性.     

钢筋布置对钢混结构温度场的影响

为了研究钢筋不同分布对钢混结构温度场的影响,将钢混结构按钢筋布置的多少简化为两种不同介质构成的导热体;用解析法求得了分层介质中温度场分布;根据三维热传导偏微分方程,求解出均匀介质、恒定热源下的温度场分布函数;基于该函数及惠更斯原理做出两点假设,推导出点热源在分层介质中的温度场方程,并与实验进行对比。结果显示:钢筋布置在靠近热源一侧,等温线更平缓、高温区面积更大,散热性能更好;相反,等温线则更尖锐、高温区面积狭小,隔热性能更好。为使散热、隔热钢混结构达到最佳力学性能和使用功能,应将热源位置设计及配筋设计统筹结合、综合考虑。     

薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化研究

新一代航天装备的主承力薄壁舱段在追求极致轻量化的同时,还具有更高的刚度和抗屈曲等设计指标.传统结构形式和设计方法难以满足轻质高承载的设计要求.为此,本文提出了一种薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化方法,通过构建主层级稀疏加筋和次层级密集点阵增强结构整体和局部力学性能,扩展结构设计空间,有效提升材料利用率.其中,主层级加筋布局通过变密度拓扑优化方法获得,次层级点阵构型通过基于改进的渐进均匀化方法提出的两种设计方法获得,并基于材料插值模型,建立了多层级并发加筋拓扑优化框架,实现在一次拓扑优化求解中同时获得主层级加筋布局和次层级单胞拓扑构型.基于上述方法,本文分别给出了考虑结构刚度和稳定性设计需求的优化算例,并与传统单层级加筋拓扑优化进行了对比.结果 表明,多层级并发加筋方法可以根据承载边界和设计目标寻找优化的结构形式,且在相同质量下,其优化构型相比传统单层级拓扑优化结果表现出更高的承载性能,证明了本方法在薄壁结构设计上的优势.     

结构构型与结构间连接方式协同优化设计

通常的结构拓扑优化是在给定外部作用下的构型设计. 然而对于复杂结构,各部件由连接构件相连并通过它传递外部作用,所以连接方式影响部件承受载荷的分布,即连接构件的布局对部件的最优构型有重要影响. 研究结构部件构型与部件之间连接方式的协同优化问题,在连接区域引入一种特殊的材料模型,以材料的分布描述连接方式. 将承力结构与连接构件域的材料密度同时作为设计变量,提出了一种基于拓扑优化思想的连接方式与结构拓扑优化协同设计的优化模型和相应的求解方法. 给出的算例证明了这种设计方法与优化策略的有效性.      

基于热固耦合问题的多尺度拓扑优化设计

基于均质材料的拓扑优化逐渐难以适应现代化生产对工业产品高品质、轻量化的需求,同时很多工业设备经常面临着高温和高负载的工作环境.为了提高结构在温度载荷和机械载荷共同作用下的力学性能,本文提出了一种在稳态热源作用下的热固耦合连续体结构并行化拓扑优化方法.以结构刚度作为目标函数,材料的体分比为约束,利用能量均匀化方法预测微结构的等效属性,建立热固耦合结构并行化拓扑优化数学模型.为便于数值计算,利用直接法进行灵敏度分析,同时采用Heaviside非线性密度过滤技术抑制数值不稳定性,将OC准则算法用于求解优化问题.数值算例表明,本文方法能够有效地进行优化设计且能显著地提高结构的刚度性能和散热性能.     

多孔压电驻极体材料的孔洞微结构优化研究

多孔压电驻极体是带有分布电荷的孔洞聚合物材料,是一种新型的压电材料.多孔压电驻极体材料的宏观压电性与内部孔洞微结构的构型和分布密切相关.将多孔压电驻极体材料看成含周期微结构的复合材料,采用渐近均匀化理论求解宏观等效系数性质,基于变密度法和拓扑优化方法,利用ANSYS的APDL参数化设计语言编制基于有限元分析的优化程序,给出最优的孔洞微结构拓扑,获得最大压电系数.     

传热结构的多目标拓扑优化设计研究

深入分析了传热结构多目标拓扑优化设计中的几个关键问题。提出了基于结构柔度最小化和结构散热弱度最小化的多目标拓扑优化设计方法,建立了传热结构的多目标拓扑优化设计模型,推导了传热结构多目标拓扑优化中用于迭代分析求解的优化准则算法和敏度分析方程。通过数值计算验证了理论和算法的有效性。     

特定方向"零膨胀"的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

基于COMSOL的简化对流传热结构拓扑优化方法

提出了一种基于COMSOL平台的简化对流传热结构拓扑优化实现方法。简化对流传热拓扑优化可用于获得性能更优的散热结构概念设计,但缺乏可行性强和适用范围广的实现方法,导致工程应用存在较高的技术门槛。为解决该问题,本研究采用在经典传热方程中引入对流换热项的方式,建立了可用于COMSOL平台简化对流换热分析的控制方程。进一步的,结合COMSOL平台提供的传热分析模块以及拓扑优化模块,搭建了简化对流传热结构拓扑优化计算框架。数值算例考虑了经典二维和三维的简化对流传热结构优化设计问题。结果显示了本文方法的有效性及可行性。     

相变温控导热增强的多孔金属梯度优化设计

高孔隙率金属多孔材料比表面积大、导热性能好且掺混能力强，是理想的相变换热导热增强体材料。增材制造能够精准制备几何高度复杂的微结构，为多孔金属任意梯度设计提供可能。为实现更高的相变换热性能，建立了多孔金属相变温控导热增强的梯度优化设计模型。该优化模型以孔隙率分布为设计变量，以多孔金属用量为约束，以关键位置的温度最低为设计目标，基于考虑相变过程的多孔介质两方程模型为分析方法，通过遗传算法对优化模型进行求解。通过与实验结果的对比，验证了分析方法的有效性。两个具体算例证实了梯度设计能够大幅度提高多孔金属介质导热增强的相变温控性能。     

CHAOS-REGULARIZATION HYBRID ALGORITHM FOR NONLINEAR TWO-DIMENSIONAL INVERSE HEAT CONDUCTION PROBLEM

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｓａｋｉｎｄｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ,ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｍｕｓｔｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｍａｋｅｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ .Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｔａｋｅｎｄｕｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｆｒｏｍｉｎｎｅｒａｎｄ/ｏｒｂｏｕｎｄａｒｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅ…     

HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF CONDUCTIVE MATERIAL UNDER INNER NON-UNIFORM ELECTROMAGNETIC FIELDS

Electronic transport properties can be influenced by the applied electromagnetic fields in conductive materials. The change of the electron distribution function evoked by outfields obeys the Boltzmann equation. In this paper, a general law of heat conduction considering the non-uniform electromagnetic effect is developed from the Boltzmann equation. An analysis of the equation leads to the result that the electric field gradient and the magnetic gradient in the conductive material are responsible for the influences of electromagnetic fields on the heat conduction process. A physical model is established and finite element numerical simulation reveals that heat conduction can be increased or delayed by the different directions of the electric field gradient, and the existence of the magnetic gradient always hinders heat conduction.     

高导C/C材料在疏导式热防护中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时气动加热严重的问题，为了保证高升阻比外形，提出疏导式热防护结构，建立了一套内置高导C/C材料的疏导式热防护结构原理模型，通过数值模拟和电弧风洞的方法对疏导式热防护结构进行了分析，得到内置高导C/C材料的防热效果．数值模拟结果表明来流马赫数为8时，模型驻点温度下降了500度，柱面最低升高了380度，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了端头的热载荷，强化了端头的热防护能力．通过电弧风洞试验可以获得相似的结果，内置普通C/C材料表层抗氧化层出现严重烧蚀，而内置高导C/C材料基本不变，验证了数值模拟方法的准确性以及内置高导C/C材料疏导式热防护结构的有效性．     

Topological design of structures and composite materials with multiobjectives

This paper studies the influence of heat conduction in both structural and material designs in two dimensions. The former attempts to find the optimal structures with the maximum stiffness and minimum resistance to heat dissipation and the latter to tailor composite materials with effective thermal conductivity and bulk modulus attaining their upper limits like Hashin–Shtrikman and Lurie–Cherkaev bounds. In the part of structural topology optimization of this paper solid material and void are considered respectively. While in the part of material design, two-phase ill-ordered base materials (i.e. one has a higher Young’s modulus, but lower thermal conductivity while another has a lower Young’s modulus but higher conductivity) are assumed in order to observe competition in the phase distribution defined by stiffness and conduction. The effective properties are derived from the homogenization method with periodic boundary conditions within a representative element (base cell). All the issues are transformed to the minimization problems subject to volume and symmetry constraints mathematically and solved by the method of moving asymptote (MMA), which is guided by the sensitivities with respect to the design variables. To regularize the problem the SIMP model is explored with the nonlinear diffusion techniques to create edge-preserving and checkerboard-free results. The illustrative examples show how to generate Pareto fronts by means of linear weighting functions, which provide an in-depth understanding how these objectives compete in the topologies.